HAL Id: jpa-00243348
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Submitted on 1 Jan 1970
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Mesures des champs magnétiques faibles dans un environnement industriel
R.C. Affaticati, J.P. Granger
To cite this version:
R.C. Affaticati, J.P. Granger. Mesures des champs magnétiques faibles dans un environnement in- dustriel. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1970, 5 (1), pp.141-144.
�10.1051/rphysap:0197000501014100�. �jpa-00243348�
MESURES DES CHAMPS MAGNÉTIQUES FAIBLES
DANS UN ENVIRONNEMENT INDUSTRIEL
Par R. C. AFFATICATI et J. P. GRANGER,
Société Engins Matra, 78-Velisy (France).
Résumé. 2014 Il s’agit de connaître les caractéristiques magnétiques des équipements électro- niques destinés aux satellites ou aux sondes scientifiques.
Après avoir compensé le champ terrestre, il faut mesurer les inductions résiduelles de ces
matériels en présence de bruits dont l’amplitude excède la valeur du signal à mesurer.
L’échantillon est placé sur un plateau en rotation. Le magnétomètre détecte une induction
tournante. On établit la corrélation de ce signal avec la rotation du plateau dans un détecteur synchrone, ce qui permet d’extraire le signal du bruit.
L’exposé comporte :
2014 L’examen des bruits magnétiques dans l’environnement industriel.
2014 La description du système de mesure et l’analyse de ses performances.
Abstract.
2014We are concerned herewith knowing the magnetic characteristics of electronic
equipments intended for satellites and scientific probes.
After having compensated the earth’s magnetic field, it is necessary to measure the residual inductions of this equipment in the presence of noise whose amplitude exceeds the value of
the signal to be measured.
The sample is placed on a rotating table and the magnetometer detects a rotating induction.
This signal is correlated with the rotation of the table in a synchronous detector which allows the signal to be extracted from noise.
The paper includes :
2014 An examination of magnetic noise in the industrial environment.
2014 A description of the measurement system and an analysis of its performances.
Situation du problème.
-Lorsque, sur des pointes scientifiques ou des satellites, un magnétomètre est
utilisé pour la restitution d’attitude ou pour des
mesures scientifiques, les autres équipements ne doi-
vent pas perturber la détection de ce magnétomètre.
En fonction de la mission, on introduit une contrainte
de propreté magnétique pour chaque sous-ensemble.
Sur la pointe scientifique à restitution d’attitude
Dragon, nous nous étions imposé 100 nT (1).
Sur le satellite scientifique Heos, la limite était de 2 nT à 45 cm après démagnétisation.
Construire des équipements qui répondent à ces
conditions oblige, dès la conception du matériel, à
tenir compte des impératifs magnétiques pour le choix des composants, leur implantation, la définition des circuits. Il faut aussi prendre des précautions en fabri-
cation et en essais.
Le laboratoire d’études doit donc disposer à tout
moment de moyens d’investigations et de mesures magnétiques.
Cet outil doit être de mise en oeuvre commode et
rapide, il doit donner des résultats aussi précis que
possible.
Les locaux à usage industriel ne répondent pas en général aux conditions optimales pour ce genre d’essai.
La distribution électrique, l’éclairage, le démarrage
des machines, les variations du champ dues à la présence de masses métalliques importantes ou à leur déplacement, donnent des niveaux fluctuants de gran-
(1) 1 gauss
=10-4 Tesla
=105 gamma ; 1 gamma
=
1 nano-Tesla (nT).
deur bien plus importante que celle que l’on cherche à mesurer.
Le principe de mesure utilisé doit alors permettre de s’affranchir de ces perturbations.
Il faut extraire le signal de bruit où il se trouve.
Les méthodes de détection synchrone sont une solution
au problème posé.
Même si leur utilisation dans ce domaine n’est pas nouvelle [1], il est intéressant de préciser les différents
paramètres de la chaîne de mesure et leurs interactions afin de connaître les limitations de la méthode et les
précisions que l’on peut atteindre.
Nature de l’environnement industriel.
-Pour défi- nir le système de mesure, il faut préciser les condi-
tions dans lesquelles il travaille.
CHAMPS ALTERNATIFS.
-Nous avons enregistré sur
bande magnétique le signal fourni par le magnéto-
mètre puis analysé ces enregistrements avec des
filtres de bande 2 Hz.
Les niveaux moyens sont faibles : quelques dizièmes
de nano-Tesla; par contre, autour des fréquences industrielles, on note 15 nT à 50 Hz, 4 à 5 nT à 100
et 150 Hz et ces chiffres dépendent de l’activité envi-
ronnante (heures de pointe et heures creuses).
Des transitoires apparaissent, ils sont déjà filtrés par le magnétomètre et limités à quelques nano-Tesla ; ils
sont espacés dans le temps et sont liés aux mises en fonctionnement, arrêts, déplacements de matériel.
Un autre type de perturbation est lié à l’emploi
de bobines pour compenser le champ terrestre et
simuler ainsi les conditions d’utilisation des équipe-
ments dans l’espace.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0197000501014100
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L’induction résultante est obtenue par différence de deux termes, l’induction terrestre et l’induction des
bobines, de natures différentes et donc non liées.
Toute variation même faible de l’une d’elles a des
répercussions très grandes sur la compensation.
Une rotation de 10-5 radian de l’une des bobines
produit par projection une induction de 0,2 nT sur
l’axe perpendiculaire.
Le système ne pouvant être totalement rigide, toute
déformation due par exemple à une excitation méca-
nique crée des inductions parasites.
CHAMPS CONTINUS.
-Deux natures de perturbation
sont possibles :
-
La proximité d’éléments métalliques cause des
distorsions locales du champ terrestre qui condui-
sent à des non-homogénéités.
On peut pallier cet inconvénient en compensant
au niveau de la sonde du magnétomètre, mais les
fluctuations lentes du champ terrestre restent de l’ordre de grandeur des inductions que l’on veut
mesurer.
-
La stabilité du courant dans les bobines de
compensation est de l’ordre de quelque 10-4.
L’induction résultante n’est alors définie qu’avec
un bruit de fond de l’ordre de 10 nT, ce qui
limite la sensibilité en continu.
Il résulte de cette étude qu’il existe :
-
des inductions parasites aux fréquences industrielles
et aux fréquences de vibrations des bobines de
compensation,
-
des phénomènes transitoires de récurrence variable,
-
des variations de l’induction continue.
Toutes ces perturbations sont d’un ordre de gran- deur supérieur aux mesures que l’on veut faire, la
mesure directe est donc très difficile : il vaut mieux moduler le signal et choisir la fréquence de modula-
tion hors de toute fréquence industrielle, les phéno-
mènes transitoires pouvant être éliminés par filtrage.
Description du système de mesure.
-GÉNÉRALITÉS.
-
L’ensemble est placé au centre de bobines d’Hel- mholtz qui permettent de compenser le champ ter-
restre suivant trois directions.
La modulation est obtenue mécaniquement en plaçant l’équipement sur un plateau tournant autour
d’un axe horizontal Nord-Sud.
La fréquence de modulation doit être choisie en
tenant compte des résultats précédents avec une limi-
tation vers les fréquences hautes due aux accélérations que subit l’équipement et à la bande passant du magnétomètre, une limitation vers les fréquences
basses due à la bande passante du détecteur et à son
bruit propre : la fréquence retenue a été de 3,8 Hz.
La sonde du magnétomètre placée sur un repère
fixe voit une induction tournante à la fréquence de
rotation du plateau et transmet un signal alternatif qui est démodulé dans un détecteur synchrone, le signal de synchronisation étant fourni par des détec-
teurs sur l’arbre de rotation.
On peut rappeler brièvement ici le principe du
détecteur synchrone : le signal à mesurer est amplifié
d’une manière sélective puis mélangé avec une réfé-
rence. Le produit obtenu contient des expressions de
FIG. 1.
-Vue d’ensemble.
somme et de différence des deux fréquences. Un filtre passe-bas à bande très étroite élimine en sortie les
fréquences dues à des sommations.
Si le signal et sa référence sont à la même fréquence,
on obtient une sortie proportionnelle à l’amplitude
du signal et à son déphasage par rapport à la référence.
Tout se passe comme si l’on avait un filtre ayant les propriétés des filtres passe-bas pour l’étroitesse de
largeur de bande, mais centré sur une fréquence qui
peut être élevée et légèrement variable.
Des explications complémentaires sont données plus
loin lors de la description électrique.
Description mécanique.
-Un moteur asynchrone
entraîne un arbre en AG3 de 3 m sur paliers ; deux
FIG. 2.
Synoptique général
chaîne de mesure.
accouplements souples évitent la transmission des vibrations.
Un nouveau jeu de poulies et courroies entraîne l’arbre et le plateau support d’équipements.
Les rapports de poulies sont des nombres non entiers
afin d’éviter de créer des harmoniques, les courroies
ont un traitement anti-électrostatique.
Le bâti est en AG3 rigidifié scellé dans le plancher
alors que les bobines sont découplées du sol par une
plaque de Novopan, ceci afin de supprimer des vibra-
tions dont on a vu précédemment l’effet désastreux
sur les inductions parasites.
Le plateau est situé dans la zone médiane des bobines de compensation pour une meilleure annula- tion du champ terrestre. Les plus grandes précautions
sont prises sur tout ce qui tourne à la fréquence de
référence pour ne pas créer d’inductions magnétiques : plateau synthétique (Kralastic MH), arbre en AG3 anodisé, bagues de roulement en bronze autolubrifié,
amenées de courant pour alimenter les équipements
par l’axe de l’arbre et sortie sur prise amagnétique.
Un volant en bronze amagnétique situé à l’autre
extrémité de l’arbre évite les fluctuations de vitesse.
La rotation est détectée soit par un disque troué
entraîné par l’arbre et une cellule photoélectrique (ce qui permet de générer des tensions harmoniques éventuellement), soit par un potentiomètre de préci-
sion situé en bout d’arbre à travers un système à la
cardan.
La sonde du magnétomètre peut se déplacer dans
deux directions sur un des plans de travail du bâti.
FIG. 3.
-Moteur d’entraînement.
FJG. 4.
-Collecteur d’arbre.
Le plateau peut recevoir un équipement de masse
inférieure ou égale à 10 kg, le diamètre est 350 mm, des fixations sont prévues au pas de 30 centré.
Il y a 30 amenées de courant : 24 de 1 A, 6 de 5 A.
FIG. 5.
-Plateau et sonde magnétomètre.
Description des bobines de compensation.
-Elles
forment un système trois axes qui permet de compenser le champ terrestre.
Chaque axe comporte trois bobines en configura-
tion dite de Maxwell [2]. Elles sont sur la surface d’une sphère de diamètre 2 m. Les bobines extrêmes ont N2I2 ampère-tours, la bobine centrale NI Il avec
N2I2 N1I1=1,531, on a choisi I1 # I2 et réglables. Les
bobines extrêmes sont à 0,654 m de la bobine centrale
et mesurent 1,52 m de diamètre.
La compensation dans les trois axes est obtenue à mieux que 100 nT dans une sphère de 60 cm de dia- mètre, ce qui permet de soumettre les équipements à
des inductions faibles.
En essai, il est indispensable de compenser simul- tanément les trois axes, sinon tout déplacement de la
sonde hors du plan ou de la direction compensée
donne une erreur identique à celle obtenue pour un
déplacement de la bobine de compensation.
Description électrique.
-MAGNÉTOMÈTRE. - De type « flux gate », il amplifie l’ensemble des signaux
de fréquences comprises dans sa bande passante (voi-
sine de 250 Hz).
Sur la gamme la plus sensible, la pleine échelle est
obtenue pour 1 mOe (2) avec une résolution de
1 yoe (- 0,1 nT).
Les échelles sont en progression 1-2-5.
L’électronique du magnétomètre permet d’envoyer
un courant dans la sonde pour compenser l’effet des inductions continues. Le domaine couvert étant de 2 500 nT dépasse largement nos besoins. On peut donc
FIG. 6.
(2) Dans l’air, 1 mOe correspond à 100 nT ou 100 y.
144
toujours s’affranchir de la composante continue et utiliser la dynamique totale en alternatif.
La sortie est différentielle avec un mode commun
de 2,5 V. La pleine échelle est de -4- 1,5 V sur 500 03A9,
mais la linéarité ne descend pas en dessous de 2 %
pour des valeurs crête de + 3 V.
Précision : ± 1 % de la pleine échelle.
DÉTECTEUR SYNCHRONE.
-L’entrée est différen-
tielle, les sensibilités varient de 100 nV à 500 mV par pas de 1-2-5.
Dans cette utilisation, seules les sensibilités supé-
rieures à 200 p1V sont utilisées, le bruit propre de
l’appareil est alors négligeable (de l’ordre de 1 % de
la pleine échelle).
Principales spécifications :
Précision : 1,5 % de la pleine échelle.
Linéarité : 1 % de la pleine échelle.
Compensation de zéro : 1 000 % de la pleine échelle.
Impédance d’entrée : 10 MQ, 35 pF.
Fréquence d’utilisation : 3,8 Hz (limites : 1,5 Hz-
150 kHz).
Réjection de bruit : un signal 59 dB au-dessous d’un bruit blanc de largeur 1 kHz est restitué avec un
rapport signal-bruit de 1.
Réjection de mode commun : 50 V.
Filtre sélectif : variable de 5 à 25.
Filtrage autour de la fréquence de référence fo.
- 1 ; RC
=0,1 à 300 ms ; 1 à 100 s.
Pente : 6 ou 12 dB/octave (12 dB utilisés).
Largeur de bruit équivalente : minimale 0,0125 Hz (RC = 100 s, 12 dB).
En choisissant RC = 10 s, le 50 Hz est atténué de plus de 96 dB et le continu est rejeté pour autant
FIG. 7.
que l’on ne dépasse pas la tension de mode commun, ce
qui est toujours le cas ici (compensation sur la sonde).
Periormances de l’ensemble.
-SENSIBILITÉ AUX PARASITES.
-Les fréquences industrielles sont rejetées quelques dizaines de dB en dessous de la limite de résolution du système (50 dB pour le 50 Hz avec RC = 10 s, davantage au-delà de 50 Hz).
-
Les variations continues n’influent pas sur la détection. Malgré les 10 nT d’instabilité de la compen-
sation, on peut avoir une limite de résolution de 0,1 nT.
-
Le bruit moyen est affaibli en dessous du seuil de
mesure.
-
